一種可上下移動的多噴頭智慧噴藥機設計.pdf

2021年 4期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 農機與裝 備 一種可上下移動的多噴頭智慧噴藥機設計 朱 顏 崔雅筠 聊城大學機械與汽車工程學院 山東聊城 252059 水果業(yè)的發(fā)展對促進我國經濟的發(fā)展具有重要 意義 噴藥能夠有效防止病蟲危害 有利于果樹的正 常生長 市面上的噴藥機主要包括背負式噴藥機 車 載式噴藥機 牽引式噴藥機等 這些噴藥機噴射范圍 小 浪費人力且不利于噴藥人員的健康 不適合果樹 的高效噴藥 目前 美國等發(fā)達國家對噴藥機的研究成果已經 處 于 先 進水 平 例如 FaialBS等人 通過計算 機 系統(tǒng) 的研究 改良了無 人機噴藥 路線 加強了無 人噴藥 技術 的 精確性 1 TonaE等人 通過 經濟 技術分析 提出了以 自 主機 器 人 平臺提 高噴藥 精度 的 思路 2 BerensteinR 等人研究 出了可調整 噴 嘴角度 根據識別 目 標改變 噴 涂直徑 的 農 藥噴 灑裝置 減少了農 藥的浪費 提 高 了 噴 藥 精度 3 近年來 我國對 農 業(yè)噴藥機的研究 取得了一定 成 果 崔龍飛 等人 通過建模補償 算法 研究 設計了 有利于 地 面 顛簸時保持 噴藥 平穩(wěn) 的 雙鐘擺被動懸架 式噴 霧 機 噴 桿 4 張勇 5 殷 長 昊 6 張巖 7 等 課題組分別 對噴藥 裝置 的 控 制 系統(tǒng) 進 行 了 研究 為植 保 機 器 的 智 能 化做 出了 貢 獻 丁在興 等人 設計了一 種 通過 紅外測距傳感 器定 位 的 適 用 于 林區(qū)苗圃 的小 型 自動 噴藥機 8 綜 上 所述 國 內外 學 者為 加強 噴藥機的 智 能 化 自 動 化 對噴藥機的 控 制 系統(tǒng) 噴藥 結構 進 行 了 研究 作者 在 國 內外 研究成果的 啟 發(fā) 下 擬 設計一 款基 于 計算 機 視 覺 的 可 上 下移 動 的 多 噴 頭智慧 噴藥機 以 適 應 果 園作 業(yè) 的 需求 1 可上下移動的多噴頭智慧噴藥機的總體結構與工作 原理 1 1總體結構 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機主要 由行走 裝置 儲 藥 裝置 噴藥 裝置 電 路 與 控 制 裝置組 成 它 的 整 體結構 如 圖 1所示 1 行走裝置 2 儲藥裝置 3 噴藥裝置 4 電路與控制系統(tǒng) 圖 1 可上下移動的多噴頭智慧噴藥機的總體結構 1 2工作原理 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機的工 作原理 為 1 啟 動 電源 發(fā) 布指令后 步 進 電 機 驅 動 行走輪行 走 2 攝像頭 負 責 識別路 況 定 位 目 標 點并將信號傳給 控 制 系統(tǒng) 定 位到 目 標 樹 木后 行走輪停 止 3 移 動裝 置 帶 動 連接 桿 勻速 上 升 以 實現多 噴 頭 自 下而 上 霧 化 噴 射藥 物 4 連接 桿 運 動 到最 高 限位點后 多 噴 頭停 止噴 射藥 物 5 移 動裝置 較快 地 帶 動 連接 桿 運 動 到最 低 限 摘 要 為了防止病蟲危害 保障果樹作物正常生長 文章設計了一款基于計算機視覺可上下移動且適用于果園作業(yè)的多 噴頭智慧噴藥機 能自動識別路況 精準定位目標 關鍵詞 多噴頭 上下移動 計算機視覺 中圖分類號 S436 6 文獻標志碼 A 文章編號 2096 9902 2021 04 0041 05 Abstract Inordertopreventtheharmofdiseasesandinsectsandensurethenormalgrowthoffruittrees thispaper designsamultinozzleintelligentsprayingmachinebasedoncomputervision whichcanmoveupanddownandissuitablefor orchardoperation Itcanautomaticallyidentifyroadconditionsandsetaccuratetargets Keywords multi nozzlespraying movingupanddown computervision 基金項目 聊城大學科研基金資助 編號 311101910 作者簡介 朱顏 1975 女 碩士研究生 副教授 研究方 向 有限元 結構 分析 與 優(yōu)化及 電動 汽車驅 動 技術 41 2021年 4期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 農機與裝 備 位點 6 若繼續(xù) 噴射 下 一 目 標 則 重 復 以 上 命 令 若 噴 射藥 物 任務 結 束 則回 到 初始 點 停 止 作 業(yè) 2 可上下移動的多噴頭智慧噴藥機主要裝置的設計與 分析 2 1 行走裝置的設計 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機 行走 裝置 的 三維 模 型 如 圖 2所示 其 主要 由行走輪 步 進 電 機 放 置 支 架 步 進 電 機 承 重 底板 等 組 成 1 行走 輪 2 步進 電機 放 置 支架 3 步進 電機 4 承重底板 圖 2 行走裝置 三維模型 行走 裝置 采 用 四個 步 進 電 機 驅 動 四個 行走輪 完 成 行走作 業(yè) 滿足 控 制 噴藥機 在 目 標 點啟停 的 需求 承 重 底板 作為 噴藥機的主要 承 重 單元 選 用 了 抗壓 性 能 好 的 合 金鋼 2 2 儲藥裝置的設計 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機的 儲 藥 裝置 的 三維 模 型 如 圖 3所示 其 主要 由 水 泵 儲 藥 箱 軟 水 管 組 成 1 水泵 2 儲藥 箱 圖 3 儲藥裝置 三維模型 塑料 包括 聚乙烯 聚丙烯 等 通 用 塑料 聚酰胺 等工 程 塑料 光敏塑料 等 功 能 塑料 聚乙烯材料價格便宜 材 料易 得 耐腐蝕 性強 緊密 性 好 使 用 壽命 長 因此選 用 聚乙烯 為儲 藥 箱 的 制作 材料 儲 藥 箱容積 為 20L 可 容 納 較多 的藥 液 箱 內 放 置 有 濾網 以 避免 藥 渣 進 入 噴藥 裝置 中 選 用 了直徑 為 16mm具有 導 水 層 防 爆層 皮膚 層三層 結構 的 軟 水 管 以 增 強 水 管 的 使 用 壽命 水 管 的 一 端 與 儲 藥 裝置 的 儲 藥 箱 連接 另 一 端 與噴藥 裝置 連接 2 3噴藥裝置的設計 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機噴藥 裝置 的 三 維 模 型 如 圖 4所示 其 主要 由移 動裝置 噴 頭連接 桿 噴 頭 組 成 移 動裝置 主要 由步 進 電 機 和絲杠滑 臺組 成 1 步進 電機 2 絲杠滑臺 3 移動裝置 4 連接桿 5 噴頭 圖 4 噴藥裝置 三維模型 連接 桿 連接 了 絲杠滑 臺 和三個 噴 頭 在步 進 電 機的 驅 動 下 多 噴 頭在 絲杠滑 臺 連接 桿 的 帶 動 下 可 實現 一 定 高 度 范圍 內 的上 下 噴藥 2 4 電路與控制系統(tǒng)的設計 電 路 與 控 制 系統(tǒng) 包括 單片 機 最 小 系統(tǒng) 檢 測 系統(tǒng) 穩(wěn) 壓 系統(tǒng) 電 機 驅 動系統(tǒng) 藍牙 通 訊 系統(tǒng) 等 電 路系統(tǒng) 噴 藥機 運用 C語言編 寫 控 制 程 序 將 程 序燒錄 入 STM51單 片 機 后 對 整 機進 行 控 制 檢 測 系統(tǒng) 將 提取 的 圖像信 息轉 變 為 數 據 信 息 后傳給 單片 機 最 小 系統(tǒng) 穩(wěn) 壓 系統(tǒng) 實現 了 電 壓 的 穩(wěn)定 驅 動系統(tǒng) 驅 動 步 進 電 機工 作 藍牙 通 訊 系 統(tǒng) 接 收 通 訊 信號 9 2 4 1穩(wěn) 壓 系統(tǒng) 的 設計 在 降 壓 電 路 中 采 用 LM2596芯 片 將 DC24v電 壓 降 至 DC12v DC5v DC3 3v 分別穩(wěn)定 傳 輸 給 水 泵 攝像頭 單片 機 在升 壓 電 路 中 采 用 MOSFET管 半橋 驅 動 電 路 將 DC24v電 壓 升 至 DC60v作為步 進 電 機的工 作電 壓 滿足 大 功 率 驅 動 的要 求 10 11 2 4 2檢 測 系統(tǒng) 的 設計 為 了 實現 自 主 檢 測 道 路 并 規(guī)劃 行走 路線 增 強 噴藥 目 標 的 精確識別 能力 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴 藥機 采 用 計算 機 視覺 的 方 法提取 圖像 1 圖像 采 集 主要包括 兩 個 高 清 攝像頭 一 個 攝像 頭 負 責 拍 攝 前進 道 路 的 路 況 另 一 個 攝像頭 負 責 拍 攝 目 標 樹 木 定 位 噴射目 標 2 圖像 處 理 攝像頭 采 集 到 的 圖 片 信 息 采 用 卷 積 神 經 網 絡 技術 ConvolutionalNeuralNetworks CNN 進 行 處 理 42 2021年 4期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 農機與裝 備 3 可上下移動噴藥的多噴頭智慧噴藥機關鍵部位的可 行性分析 3 1基于 Matlab的振動分析 3 1 1 路 面 模 型 的 搭 建 為 保 證 噴藥機 行 駛 的 平 順 性 和 噴藥的 穩(wěn)定性 運用 濾 波白噪聲 法 對 路 面進 行 路 面不 平度分析 根據路 面的 粗糙 程 度可 將 路 面 分 為 不 同 等 級 噴藥機的 作 業(yè) 環(huán)境 為 較為 平整 的 土 路 因此 按照 B級 路 面的 參數 進 行 路 面 激勵 分析 12 13 路 面不 平度 數 學 模 型 如 式 1 所示 Z g t 2 n 1 vZ g t 2 n 0 G q n 0 v t 1 式中 Z g t 為路 面不 平度 函數 n 0 為 參考空間頻率 m 1 n 0 0 1m 1 n 1 0 01m 1 G q n 0 為 n 0 對 應 的 路 面不 平度系 數 m 3 v為速 度 m s t 為 標 準 高 斯白噪聲 運用 Simulink模 塊 建 立 路 面不 平度 仿真 模 型 如 圖 5所示 圖 5路 面不平度 的 Simulink模型 路 面不 平度系 數 G q n 0 在 B級 路 面的上 限為 128 10 6 m 3 下限為 32 10 6 m 3 幾何 平 均值 為 64 10 6 m 3 在 計算 Gain 增 益 模 塊 時 G q n 0 取 64 10 6 m 3 當 行 駛 速 度分別 為 5m s 15m s 25m s時 Gain模 塊 K 1 K 2 的 值 如 表 1所示 表 1 增益 K 1 K 2 在不同 行 駛速度 下的 取值 將 Band LimitedWhiteNoise 限 寬白噪聲 模 塊 的 Noisepower 噪聲 功 率 的 值 設 為 0 5 從 而 獲 得 單 邊 功 率譜 按照表 1對 增 益 模 塊 進 行 設置 運行 Simulink模 塊 對 圖像 進 行 處 理后 不 同 行 駛 速 度 下 路 面不 平度 隨 時 間 的 變 化 如 圖 6所示 由圖 6可 知 行 駛 速 度 不 同 時 對 路 面 激勵 的 振 動 幅 度 有 影響 但 路 面高 度 的 變 化 幅 度 均 在 0 04m之間 行 駛 速 度 對 路 面不 平度 的 影響 不 明顯 因此 在 對噴藥機進 行 振 動分析時 不 考慮 行 駛 速 度 對 振 動 的 影響 選 擇 5m s的 速 度 進 行 分析 K 1 K 2 的 值 分別設置 為 0 014 0 314 3 1 2 振 動分析 將 噴藥機 簡 化為 1 4車 身 車 輪 二 自 由 度 力學 模 型 進 行 振 動分析 簡 化 模 型圖 如 圖 7所示 根據 圖 7建 立數 學 模 型 如 式 2 3 所示 m 2 x 2 c x 2 x 1 k 2 x 2 x 1 0 2 m 1 x 1 c x 2 x 1 k 2 x 2 x 1 k 1 x 1 q 0 3 式 中 m 1 為 噴藥機車 輪 的 質量 kg k 1 為 噴藥機車 輪 的 剛 c 25m s時 路 面不平度時間響應 圖 圖 6路 面不平度隨時間響應 圖 a 5m s時 路 面不平度時間響應 圖 b 15m s時 路 面不平度時間響應 圖 圖 7 車身車輪二 自 由度簡化模型 43 2021年 4期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 農機與裝 備 度 N m 1 m 2 為 噴藥機 其 余部 分 質量 kg k 2 為 噴藥機車 身 底 部 懸架 的 剛 度 N m 1 c 為 阻尼 N m s x 1 x 2 分別 為 噴藥機車 輪 噴藥機 其 余部 分 的 振 動 位移 m q 為 路 面 不 平度 噴藥機的 性 能 參數 如 表 2所示 表 2噴藥機的 性 能 參數 運用 Simulink模 塊搭 建 車 身 車 輪 二 自 由 度 仿真 模 型并 設置 合適的 參數 如 圖 8所示 圖 8車身車輪二 自 由度 Simulink仿真模型 運行 Simulink模 塊 對 圖像 進 行 處 理后 振 動 位移 x 1 x 2 加 速 度 a 1 a 2 隨 時 間 變 化 如 圖 9所示 振 動 位移 振 動加 速 度 為 矢量 數值代表 大小 正負 代表方向 通過 Simulink模 型 的 ToWorkspace模 塊 在 Matlab 的工 作 空間查 看 振 動 位移 振 動 機 加 速 度 的具 體 數值 可 知 噴藥機 其 余部 分 的 振 動 位移 x 2 的 最 大 值 為 0 0221m 振 動加 速 度 a 2 的 最 大 值 為 0 1973m s 2 噴藥機 車 輪 的 振 動 位移 x 1 的 最 大 值 為 0 0207m 振 動加 速 度 a 1 的 最 大 值 為 0 1856m s 2 結 合 振 動 位移 振 動加 速 度 的 最 大 值 和 圖 9可 知 噴藥機的 平 順 性良 好 能夠 實現在 果 園 中 穩(wěn)定 行走 的 功 能 3 2 承重底板強度校核 行走 裝置 部 分 的 承 重 底板 是 噴藥機的 承 重 支 撐 單 元 選 用 了 抗壓 性 能 較 好 的合 金鋼 承 重 底板 的 強度 對 噴藥機的 穩(wěn)定性 具有重要 作用 因此 對 其 進 行 承 重 分 析 校核 其 剛 度 是否 滿足 需求 具有重要意義 運用 Solidwoks的 Simulation模 塊 對 承 重 底板 進 行 了 剛 度 校核 在儲 藥 箱 裝 配 處 施 加 200N豎 直 向 下 的載 荷 噴藥 裝置裝 配 處 施 加 100N豎 直 向 下 的載 荷 其 von Mises應 力 分 布 云 圖結 果 如 圖 10所示 由圖 10可 知 承 重 底板 受 到 的 最 大 應 力 max 為 1 645 10 3 N m 2 合 金鋼 的 屈服 力 為 6 204 10 8 N m 2 因 為 max 所 以 底板滿足 強度 要 求 4結束語 可 上 下移 動 噴藥的 多 噴 頭智慧 噴藥機 克服 了 傳 統(tǒng) 噴藥機的 缺陷 采 用基 于 計算 機 視覺 的 方 法識別路 況 定 位 目 標 采 用 絲杠滑 臺 升 降 的 方 式 完 成 連接 桿 帶 動 多 參數 數值 單位 車輪的質量m 1 25 kg 其余部分質量m 2 110 kg 阻尼c 1200 N m s 車輪的剛度k 1 45000 N m 1 懸架的剛度k 2 80000 N m 1 b 振 動 加速度響應時間 圖 圖 9振 動位移 加速度響應時間 圖 a 振 動位移 響應時間 圖 圖 10底板 vonMises應力分布云 圖 44 2021年 4期 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 智慧農業(yè) 農機與裝 備 4 系統(tǒng)調試與分析 4 1下位機調試 在 完 成 下位 機 硬件 設計 與 軟 件 設計以 后 首 先 對 LCD1602下位 機 顯 示 界 面進 行 了調 試 在 LCD1602液 晶屏 上 第 一 行 顯 示 的 是濕 度 濕 度 上 限 濕 度 下限 第 二 行 顯 示 溫 度 溫 度 上 限 溫 度 下限 具 體 如 圖 7 圖 7LCD1602界面 4 2上位機調試 在 通過無線通 訊 傳 輸數 據以 后 通過 上 位 機 繪 制 波 形 圖 如 圖 8 其中 時 間 當 前 溫 度 溫 度 上 限 溫 度 下限 當 前 濕 度 濕 度 上 限 濕 度 下限 以 Excel形 式 存 儲在 硬盤 中 5 結束語 針 對 當 前 農 業(yè) 溫室 大 棚 的 環(huán)境 監(jiān) 測 問 題 本文 提出 了以 STC89C52單片 機 作為 核心 分別 采 用 數 字 傳感 器 DS18B2檢 測 溫室 大 棚 的 溫 度 采 用 YL 69檢 測 濕 度 通過 顯 示 屏就 地 顯 示 溫濕 度 信 息 并 通過 ZigBee無線 通 信 的 方 式上 傳 至 Labview上 位 機 在 上 位 機 繪 制 溫 度 濕 度 曲 線 并 存 儲 數 據 當 監(jiān) 測 數值 超 出 上 下限 時 由 下位 機 自動 進 行 溫濕 度調 節(jié) 并 提 醒 工 作 人員進 行 關 注 通過 測 試 本 系統(tǒng) 具有 良 好 的 實用 性 推廣 價 值 高 參考文獻 1 楊金祥 章 海 農 業(yè) 溫室大棚溫濕度 控制系統(tǒng)的設計 J 農村經濟 與 科技 2021 32 5 70 73 2 李先山 胡天讓 物 聯網技術在農 業(yè) 溫室大棚中 的 應 用 J 現代農 機 2021 2 35 36 3 賈 海云 基于 DS18B20的智能 測 溫 系統(tǒng)的設計 J 電 腦知 識與 技術 2021 17 9 251 252 4 宋希賢 王燁峰 姚 文 平 基于物 聯網技術 的 節(jié) 水 灌溉 自動 化及 信 息 化 系統(tǒng)設計 J 農 業(yè) 開發(fā) 與裝 備 2021 4 143 144 5 王瑞娜 潘曉貝 基于 ZigBee的 溫室大棚 環(huán)境監(jiān)測 系統(tǒng)研究設計 J 常 州信息職 業(yè) 技術 學院學報 2021 20 2 24 28 噴 頭 的上 下移 動 噴藥 它 對 提 升 果樹 產 量 品 質 減 小噴 藥人員負 擔 有 極 大的 幫助 參考文獻 1 FaialBS FreitasH GomesPH etal Anadaptiveapproachfor UAV basedpesticidesprayingindynamicenvironments J Computers andElectronicsinAgriculture 2017 138 210 223 2 TonaE CalcanteA ObertiR Theprofitabilityofprecisionspraying on specialty crops atechnical economicanalysis ofprotection equipmentatincreasingtechnologicallevels J PrecisionAgriculture 2018 19 4 606 629 3 BerensteinR EdanY AutomaticAdjustableSprayingDeviceforSite SpecificAgriculturalApplication J IEEETransactionsonAutomation ScienceandEngineering 2018 15 2 641 650 4 崔 龍飛 薛新宇 丁素明 等 雙鐘擺主被 動 懸 架 式 大型 噴 霧 機噴 桿 動 力 學 仿真 與 試驗 J 農 業(yè)機 械學報 2017 48 2 82 90 5 張勇 王麗莉 一 種 農 業(yè)自 主導航 的智能 無人打 藥 車 設計 J 機電 技 術 2020 4 16 19 6 殷 長 昊 農 用 打 藥 車 遠程 控制系統(tǒng)的研究與設計 D 沈陽 東北 大 學 2018 7 張巖 植 保機 器人 多 功 能作業(yè) 關鍵 技術 研究 D 濟 南 濟 南 大 學 2016 8 丁 在 興 閆家政 胡 哲銘 等 小 型 自動噴 霧 型 林區(qū)苗圃 噴藥機的設 計 J 現代農 業(yè) 科技 2020 19 165 166 9 林關成 基于 STM32的智能 平 衡小 車 控制系統(tǒng)設計 J 信息 技術 2021 2 44 49 10 楊 智 清 范琦 基于 LM2596芯片零 起調直流穩(wěn)壓 電 源 的設計 J 電 子 測 量 技術 2018 41 22 36 39 11 蘇紅衛(wèi) 一 種 MOSFET管半橋 驅 動電路的設計 概述 J 福建 電 腦 2017 33 3 139 140 12 楊 明遠 馮 金 芝 張 啟濤 基于 Simulink的 隨 機路 面 建 模及 驗 證 J 農 業(yè)裝 備 與 車 輛工 程 2019 57 12 104 107 13 程 少鋒 基于 matlab simulink環(huán)境 下 仿真 生 成 路 面不平度 J 中 國 房地產 業(yè) 2017 22 234 圖 8上位機 波形 圖 上接 40頁 45